Въведение
Бутиловият каучук, съполимер на изобутилен и изопрен, е най-често използваният материал за вътрешната гума на велосипедната гума. Предимствата му включват сравнително ниска цена, дълъг експлоатационен живот и сведени до минимум въздушни течове. За оптимизиране на свойствата, като например максимална гъвкавост и минимално съпротивление при търкаляне, са необходими някои добавки в ниско процентно количество. В това изследване използвани вътрешни гуми за велосипеди от двама различни производители бяха анализирани с TGA, за да се установят разликите.
Методи и подготовка на пробите
Преди измерването пробите се нарязват на няколко парчета small и се поставят в отворен тигел от Al2O3. Образците са нагрявани в азотна атмосфера до 850°C и във въздушна атмосфера от 850°C до 1100°C. За термогравиметричното изследване е използван NETZSCH TG Libra®, свързан с QMS Aëolos®. Измерванията са проведени при условията, описани в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Маса на пробата | Производител А (10,34 mg) | Производител Б (10,06 mg) |
| Материал на тигела | Алуминиев оксид 85 μl, отворен | |
| Температурна програма | 40°C до 850°C в азот, 850°C до 1100°C във въздух | |
| Скорост на нагряване | 10 K/min | |
| Атмосфера | Азот, въздух | |
| Дебит на газа | 40 ml/min | |
| QMS | 1 - 300 amu, сканиране на маса: 20 ms | |
Резултати и обсъждане
Получените термограми са показани на фигура 1. В инертна атмосфера и двата образеца показват три стъпки на загуба на маса. Първите два етапа на загуба на маса, между 200 °C и 500 °C, са свързани с разлагането на каучуковата смес. Съставът на каучука вероятно е бил различен в тези два образеца, тъй като са открити малко по-различни проценти и пиковете на скоростта на масовите загуби (DTG) са изместени. Третата стъпка на загуба на маса е причинена от разлагането на карбонатния пълнител. Тъй като бяха открити различни количества на изменение на масата, вероятно са използвани различни количества пълнител.
При температура над 850°C въздушната атмосфера предизвиква изгаряне на остатъчния въглерод. Получената остатъчна маса съответства на съдържанието на пепел. Отново се наблюдава специфична разлика между двата образеца, което показва различно количество оксидни минерали. Съдържанието на пепел в образеца на производител Б е около два пъти по-голямо от това на производител А.
Еволюиралите газове бяха допълнително анализирани с квадруполен масспектрометър (QMS), свързан към газовия изход на термобаланса. При 218°C (214°C) и при двата образеца се наблюдава увеличение на масовото число 76, което може да се свърже с отделянето на CS2, вулканизационен остатък; вж. фигура 2.
Откритите масови спектри при 420°C не показват съществена разлика за нито една от пробите, като най-интензивният фрагмент е m/z 41; вж. фигури 2 и 3а. Измерените спектри показват голямо сходство с основния продукт на пиролизата на бутил каучук 1-бутен1; вж. фигури 3а и 3б.
При 634°C масспектрометърът откри увеличение на m/z 44 за пробата от производител В, което потвърждава освобождаването наCO2 от разлагането на карбоната. Това показва, че в образеца от производител В е използвано по-голямо количество карбонатен пълнител.
Освобождаването на различните масови числа може лесно да се сравни с кривата на TGA в зависимост от температурата; вж. фигура 2.
1 Pyrolysis GC/MS Data Book of Synthetic Polymers, Tsuge Shin, Ohtani Hajime, Watanabe Chuici, Elsevier, 2011 г
Резюме
В заключение, TGA-MS анализът дава възможност за подробен поглед върху състава на две конкурентни вътрешни тръби на велосипедни гуми. Термобалансът определя термичната стабилност и позволява да се направят изводи за състава, като например съдържанието на каучук, съдържание на пълнител, съдържание на въглерод и съдържание на пепел. Могат да бъдат установени дори най-малките разлики. Едновременно записаните данни от масспектрометъра улесняват интерпретацията на процесите на разлагане чрез идентифициране на отделените газове. Използването и процентното съдържание на съответните добавки и пълнители са определящи за качеството на гумата; например калциевият карбонат също има значителен подсилващ ефект както върху естествения, така и върху синтетичния каучук и може да подобри консистенцията. Той влияе и върху динамичните свойства на каучука.